文/夏思彬 鄒騫 孔皓 林紹福

系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

隨著社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，教師群體的私家車擁有量迅速增長，同時(shí)高校與社會的交往也日益密切，吸引了大量的社會車輛進(jìn)入校園。北京工業(yè)大學(xué)由于市屬高校的性質(zhì)，學(xué)校三分之二的學(xué)生都是北京本地學(xué)生，大多數(shù)學(xué)生都有自己的車輛，并且學(xué)生家長也會時(shí)常到學(xué)校看望學(xué)生，從而造成校園內(nèi)部靜態(tài)車輛眾多，而校園停車設(shè)施規(guī)劃滯后，停車泊位緊缺，缺乏規(guī)范管理，車輛隨意停放，造成了校園交通問題。高校作為區(qū)域停車場的一個(gè)集合，在停車方面存在與公用停車場有著很多共同的特性，一般都是上班時(shí)間學(xué)校車輛較多，下班后車輛較少，停車高峰期與教學(xué)時(shí)間存在交叉，給校園交通的處理帶來較大壓力。校園停車場景如圖1所示。

通過目前的現(xiàn)狀可以分析出，校園內(nèi)停車問題主要分為三部分：其一，缺乏整體規(guī)劃，如有些停車場規(guī)劃時(shí)沒有從整體進(jìn)行考慮，且缺乏配套的管理措施，在停車資源不足的情況下，這部分停車場的使用率較低；其二，違規(guī)停車現(xiàn)象嚴(yán)重，車輛沒有按照規(guī)定停放，存在1輛車占用多個(gè)泊位現(xiàn)象，浪費(fèi)停車資源；其三，缺乏規(guī)范與智能化管理，學(xué)校內(nèi)停車場是免費(fèi)開放的，缺少專人管理，停車秩序混亂，校外的車輛也很容易進(jìn)出，造成校內(nèi)停車位不足。

近年來，在各停車場內(nèi)，RTLS(Real Time Locating Systems)技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，以解決停車場的車輛管控問題。RTLS是一種特殊的局部定位系統(tǒng)，通過若干個(gè)的信號接入點(diǎn)對區(qū)域內(nèi)待識別標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并計(jì)算出標(biāo)簽位置。RTLS實(shí)時(shí)定位技術(shù)是指在一個(gè)指定的空間內(nèi)，通過采集目標(biāo)物體的相關(guān)信息，按照約定的協(xié)議與后臺或服務(wù)器進(jìn)行信息交換或通信，并采用AOA(Angle-of-

Arrival)、TOA(Time-of-Arrival)等測距算法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的智能化識別、定位、跟蹤和管理的一種無線實(shí)時(shí)定位技術(shù)。目前，RTLS主要應(yīng)用于物流服務(wù)、倉儲服務(wù)和其他服務(wù)，如倉庫、廠房、港口、學(xué)校和醫(yī)療場所。UWB技術(shù)是一個(gè)介于雷達(dá)和通信之間的應(yīng)用，能夠精確地理定位。例如，使用UWB技術(shù)的能夠提供三維地理定位信息的設(shè)備。

UWB技術(shù)是一種使用1GHz以上帶寬且無需載波的先進(jìn)無線通信技術(shù)。每個(gè)標(biāo)簽以UWB脈沖重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，標(biāo)簽發(fā)送的UWB脈沖串被接收器接收，每個(gè)接收器利用高感度的短脈沖偵測器測量每個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時(shí)間，HUB處理單元利用參考標(biāo)簽發(fā)送過來的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定標(biāo)簽到達(dá)不同接收器之間的時(shí)間差，并利用三角定位技術(shù)及優(yōu)化算法來計(jì)算標(biāo)簽位置。UWB定位系統(tǒng)由定位應(yīng)用軟件、基站和標(biāo)簽三部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位，且定位穩(wěn)定性好。系統(tǒng)可通過直觀圖形界面實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽可視化管理及實(shí)時(shí)的位置跟蹤，定位應(yīng)用軟件主要是根據(jù)定位基站獲取到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出標(biāo)簽的位置，提供系統(tǒng)使用。如圖2所示。

圖 1 校園停車場景

本文提出的系統(tǒng)在停車定位方面主要依賴于UWB 6.4G技術(shù)。當(dāng)有標(biāo)簽的車輛進(jìn)入停車位時(shí)，定位設(shè)備會根據(jù)車輛停放位置產(chǎn)生完整數(shù)據(jù)，方便車輛定位管理。當(dāng)沒有標(biāo)簽的車輛進(jìn)入車位時(shí)，定位設(shè)備中的雷達(dá)會判斷車輛停放的車位產(chǎn)生不完整數(shù)據(jù)，這時(shí)需要依托車牌識別技術(shù)完善車輛信息，補(bǔ)充完整收費(fèi)數(shù)據(jù)。利用UWB和車牌識別兩種新技術(shù)，將使得系統(tǒng)的定位更加精準(zhǔn)、收費(fèi)管理更加方便。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信是基于IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以緩解校園內(nèi)IPv4地址不足的問題，而且系統(tǒng)采取校園無線Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠與當(dāng)前校園網(wǎng)絡(luò)良好融合，無需重新組網(wǎng)就能投入使用。

需求分析

校園停車場與社會停車場的用戶受眾面不用，一般的停車場主要是面向社會用戶提供停車、車位租賃、快速收費(fèi)等服務(wù)，向社會推廣停車場。而校園的停車區(qū)域及管理主要服務(wù)對象是學(xué)校教師和外訪參會人員。

圖 2 設(shè)備標(biāo)簽基站示意

北京工業(yè)大學(xué)現(xiàn)有的停車系統(tǒng)是基于車牌識別的匝道車輛管理系統(tǒng)，該停車管理系統(tǒng)就目前智慧校園發(fā)展進(jìn)程來看，還存在很大的局限性。主要表現(xiàn)在：不能實(shí)時(shí)管理校園停車場及查看整體規(guī)劃情況，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測校園停車定位情況，尚未實(shí)現(xiàn)手機(jī)自動扣費(fèi)、停車導(dǎo)航、反向?qū)ぼ嚨戎悄芑＼嚪绞?。?jīng)過多次深入調(diào)研，分析出以下主要問題：1.缺乏整體規(guī)劃；2.停車區(qū)域缺少透明化；3.缺乏規(guī)范管理；4.停車數(shù)據(jù)管理難度較大。

本系統(tǒng)是在當(dāng)前智慧校園應(yīng)用與智能停車應(yīng)用的背景下開發(fā)設(shè)計(jì)的。主要對傳統(tǒng)校園停車功能進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)停車場實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理、停車數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)的用戶角色設(shè)定主要是針對學(xué)校后勤部門的管理者。對于學(xué)校來講，管理者希望將停車場、停車位對象實(shí)例化，當(dāng)學(xué)校有重要活動時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)開放或者關(guān)閉停車區(qū)域，并及時(shí)通知到需要停車的用戶。其次，學(xué)校目前的停車系統(tǒng)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面存在很大的局限性，常常需要手動統(tǒng)計(jì)。另外，校外人員到校參會時(shí)需要打印紙質(zhì)車證，在后續(xù)業(yè)務(wù)處理上很不便捷。因此，本系統(tǒng)特別針對管理者的用戶需求，將停車場可視化，主要實(shí)現(xiàn)管理者對停車場進(jìn)行相關(guān)設(shè)置和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等主要功能。

圖 3 系統(tǒng)架構(gòu)

為了使系統(tǒng)更加便捷地服務(wù)到所有用戶，也為了校園業(yè)務(wù)流程的整體完備性。本系統(tǒng)也針對UWB設(shè)備用戶的需求進(jìn)行詳細(xì)分析，主要分為三類需求：一是停車位導(dǎo)航；由于停車區(qū)域未能實(shí)現(xiàn)公開給用戶，用戶并不能在停車前發(fā)現(xiàn)合適的停車位，于是就不能確定良好的、精確的導(dǎo)航路線；二是反向?qū)ぼ?；反向誘導(dǎo)系統(tǒng)也算是所有停車用戶的特定需求，當(dāng)用戶在不熟悉的區(qū)域停車時(shí)，找到自己的車輛也是很麻煩的事情，需要反向?qū)Ш絹碚业阶约旱能囕v；三是收費(fèi)自動化；不管是對于設(shè)備用戶還是管理者，校園的停車位不完全是免費(fèi)的，也存在收費(fèi)繳費(fèi)的問題，隨著移動支付的快速推廣，微信或支付寶支付費(fèi)用已經(jīng)成為我們的一種生活習(xí)慣，也方便管理者在各方面的管理。本系統(tǒng)的第三類用戶是校園保衛(wèi)處的收費(fèi)管理者，一是收費(fèi)自動化，最大限度減少現(xiàn)金管理問題；二是查看停車場實(shí)時(shí)的停放狀況（停車區(qū)域可視化），避免車輛亂放亂停，并可及時(shí)處理違規(guī)現(xiàn)象，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)管停車場的效果。

圖 4 功能設(shè)計(jì)示意

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由三部分組成，客戶端、服務(wù)器端與硬件設(shè)備，通信為設(shè)備與服務(wù)器進(jìn)行通訊，服務(wù)器端提供Web Service接口，設(shè)備按接口提供車位和車輛的實(shí)時(shí)信息，通信方式支持IPv4；服務(wù)器端與客戶端以IPv6的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；設(shè)備產(chǎn)生車輛位置數(shù)據(jù)，服務(wù)器端存儲數(shù)據(jù)，并提供給客戶端，客戶端對數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示與用戶交互，如圖3所示。硬件設(shè)備為UWB，包括天線和標(biāo)簽；客戶端為安卓手機(jī)客戶端。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于UWB的停車定位管理系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)功能：

1.個(gè)人信息管理：憑手機(jī)號快速注冊及登錄，用于識別用戶類型和對應(yīng)的權(quán)限，登錄成功后，不同用戶享受其對應(yīng)的功能。用戶可進(jìn)行設(shè)置或修改頭像、更改昵稱等基本功能，也可在該模塊添加自己的車輛信息和設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備之間的綁定，并可以查看歷史停車紀(jì)錄，教師用戶需要管理人員進(jìn)行身份驗(yàn)證。

2.地圖功能：該模塊向所有用戶開放，用戶進(jìn)入本系統(tǒng)可直接查看校園以及停車場地圖，但只有擁有權(quán)限的用戶才能查看具體停車情況。

3.車位導(dǎo)航：用戶登錄成功后，在地圖上找到適合自己的停車位，可進(jìn)行在線導(dǎo)航，方便用戶到達(dá)準(zhǔn)確停車位。

4.反向?qū)ぼ嚕河脩敉ㄟ^反向?qū)ぼ嚬δ芸裳杆僬业阶约旱能囕v，方便停車用戶快速準(zhǔn)確地找到原停車位置，大大節(jié)省了取車時(shí)間。

5.自動收費(fèi)：本系統(tǒng)提供多種自助繳費(fèi)方式，包括支付寶、微信、網(wǎng)銀等。

6.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：通過整合后臺數(shù)據(jù)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，方便管理人員針對停車場當(dāng)前情況提出意見和決策。

7.停車場設(shè)置：管理者可根據(jù)監(jiān)測停車場實(shí)時(shí)情況對停車場進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，也能夠?qū)崟r(shí)開放或者關(guān)閉停車區(qū)域，并及時(shí)通知到需要停車的用戶。

可以將功能主要根據(jù)三類用戶分為：管理收費(fèi)模塊、設(shè)備用戶模塊和高級管理模塊等三部分，停車定位系統(tǒng)功能詳細(xì)模塊如圖4所示。

業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

對于車主用戶，車輛需要進(jìn)入校園時(shí)，通過車牌識別記錄該車輛生成停車訂單。車輛進(jìn)入校園后，系統(tǒng)向用戶手機(jī)推送附近停車場的信息（系統(tǒng)推送停車場的信息，不具體推薦停放車位，這樣保證用戶能有車位進(jìn)行停車），停車場根據(jù)與用戶距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序供用戶選擇進(jìn)行導(dǎo)航路線規(guī)劃（若該車輛沒有綁定定位標(biāo)簽，系統(tǒng)在該推送后3分鐘向手機(jī)推送提醒用戶分享車輛停放位置的信息）。當(dāng)用戶將車輛停放在基站覆蓋范圍后，基站系統(tǒng)自動判斷停放車位并上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車位的自動占用和釋放。車輛停放完成后，用戶可以在手機(jī)上查看車輛停放的位置和訂單詳細(xì)信息，離開時(shí)，可使用反向?qū)ぼ嚳焖僬业杰囕v，離開停車位后，基站系統(tǒng)自動將車位釋放，用戶可導(dǎo)航至校門收費(fèi)處，通過車牌識別的手段，結(jié)束車輛訂單完成繳費(fèi)等操作。業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖 5 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)示意

對于一般管理者，主要是在校門處管理車輛進(jìn)出和校園內(nèi)巡邏的管理人員，當(dāng)車輛進(jìn)出校門時(shí)，是通過車輛識別的手段實(shí)現(xiàn)車輛信息的記錄，當(dāng)管理人員在校園內(nèi)發(fā)現(xiàn)違規(guī)停車時(shí)，可通過終端使用車牌識別快速找到車輛的停車記錄，進(jìn)行違規(guī)信息登記，并可以選擇是否發(fā)送短信給用戶（如不發(fā)短信，手機(jī)也會推送信息提醒用戶）。而高級管理者則負(fù)責(zé)外訪參會人員信息的錄入、停車場信息管理和數(shù)據(jù)查看統(tǒng)計(jì)等。

在整個(gè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，UWB主要作為基站覆蓋范圍內(nèi)的定位實(shí)現(xiàn)，車牌識別是車輛進(jìn)出控制的手段，存在違規(guī)停放車輛時(shí)，也適用車牌識別的方式識別車牌號進(jìn)行記錄，兩者相互補(bǔ)充。對于車位中無標(biāo)簽車輛或自行車亂停放的情況時(shí)，該方案的技術(shù)目前實(shí)現(xiàn)不了自動判別，在標(biāo)簽管理方案完善的情況下，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)車輛全部攜帶標(biāo)簽是非常重要的。對于無標(biāo)簽車輛或自行車占用車位的情況，系統(tǒng)中提供了車位信息舉報(bào)的功能，當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)本空閑卻被占用的車位時(shí)，可舉報(bào)給一般管理者，由校園巡邏人員進(jìn)行管控，對于自行車占用車位的情況，則由巡邏人員及時(shí)清理，盡量避免此類情況發(fā)生。

區(qū)域地圖模塊設(shè)計(jì)

圖 6 實(shí)際停車區(qū)域、信息采集系統(tǒng)和終端界面示意

通過對學(xué)校停車區(qū)域規(guī)劃和分類，根據(jù)車位集中情況，共劃分為24個(gè)小停車區(qū)域，共計(jì)933個(gè)車位，加上暫未納入系統(tǒng)的217個(gè)地下車庫車位，學(xué)校為教師及其他人員規(guī)劃共計(jì)1150個(gè)車位。實(shí)際停車區(qū)域、信息采集系統(tǒng)和終端界面示意如圖6所示。

標(biāo)簽發(fā)放與管理

UWB定位標(biāo)簽在使用時(shí)需要貼放于車輛前窗（同ETC一致），無論是教師用戶還是外訪參會人員，在使用標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽必須與車輛一一對應(yīng)。參會人員進(jìn)出校門時(shí)系統(tǒng)會提醒管理者進(jìn)行標(biāo)簽的發(fā)放與回收，而固定用戶則不用考慮標(biāo)簽的回收。

在方案實(shí)施應(yīng)用中，需要學(xué)校配合（項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)維的合作公司配合）對進(jìn)入校園的車輛進(jìn)行標(biāo)簽發(fā)放管理。由于工作時(shí)間內(nèi)學(xué)校停放的車輛主要是教師用戶和少量來訪預(yù)約參會人員，這部分車輛和用戶都基本上是固定和可控的，教師用戶的車輛等信息在學(xué)校都有統(tǒng)一備案，學(xué)校與合作公司配合向該部分用戶發(fā)放標(biāo)簽；對于來訪預(yù)約參會人員進(jìn)入學(xué)校，可要求需要提前登記，在進(jìn)入學(xué)校時(shí)也可發(fā)放臨時(shí)標(biāo)簽。對于標(biāo)簽發(fā)放與管理，能夠保證在校車輛基本攜帶標(biāo)簽，對于管理者更在乎關(guān)注的是對固定用戶和工作時(shí)間內(nèi)對校園車輛的高效管理。

停車定位系統(tǒng)以智能化設(shè)備和完善的管理軟件來簡化人的勞動，具有操作簡單、使用方便、功能先進(jìn)等特點(diǎn)。用戶可以在最短的時(shí)間進(jìn)入或離開停車場，盡量減少人工的參與，從而提高停車場的管理水平，取得更高的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。此外，還能提高管理的有效性、安全性、可靠性和停車場運(yùn)行自動化程度，實(shí)現(xiàn)更快捷、移動化的車輛停車管理方式。本文在分析校園實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，為管理者設(shè)計(jì)開發(fā)了停車定位管理系統(tǒng)，對校園內(nèi)部的停車區(qū)域進(jìn)行了可視化實(shí)時(shí)動態(tài)顯示。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是RTLS定位系統(tǒng)在校園中的應(yīng)用，也是對UWB定位技術(shù)一種嶄新的嘗試，在未來，UWB定位技術(shù)將會廣泛的應(yīng)用在停車領(lǐng)域，特別是路側(cè)停車場景。